PET成像技术

徐州医学院附院核医学科侯先存高能正电子成像主要内容正电子正电子放射性核素的生产发射正电子的放射性核素高能正电子成像方式PET/CT欢迎随时提问一、正电子1、正电子（e+；称β+粒子）：是与电子（负电子）相似的一种带电粒子。正电子带一个正电荷，有一定质量和能量。正电子所带能量的大小决定了正电子在组织中的消失射程。2、正电子发射原子核中的一个质子释放正电子和中微子并衰变为中子。P——〉n+β++ν18F原子结构：9个质子、9个中子、9个核外电子；注：氟稳定结构是10个中子CarlAnderson3、湮没辐射（annihilation）湮没辐射：是指β+粒子与物质作用能量耗尽时，和物质中的自由电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为2个能量相等（511keV）、方向相反的γ光子而自身消失。二、发射正电子的放射性核素ß发射正电子的放射性核素18F、11C、13N、15Oß半衰期：18F1.87hr、11C20.4min、13N10min、15O122.5s。正电子的放射性核素特点1、人体组织的基本元素。易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物而不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、生化代谢过程；2、半衰期比较短。检查时可给予较大剂量，提高了影像的对比度和空间分辨率，更真实地反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变。三、正电子放射性核素的生产医用回旋加速器正电子放射性核素通常是用稳定的核素经处理变成放射性核素。放射性核素18F是用稳定核素18O经质子轰击而产生的。质子带正电，产生的18F缺中子，其在衰变过程中放出一个正电子或俘获一轨道上的电子行成稳定核素。正电子发生器回旋加速器(Cyclotron)四、高能正电子成像方式1、高能准直成像（HECI）HighEnergyPositronCollimationImaging2、正电子符合探测成像(MCD)MolecularCoincidenceDetectionImagingPET：PositronEmissionTomographyCPET：CirclePEThPET：hybridPET（一）正电子符合探测成像1、符合探测成像原理符合探测利用了湮没辐射产生的2个γ光子的直线性、同时性这两个特点，进行成像。(1)直线性：即湮没辐射产生的2个γ光子互成180°。探测基本要求是2个互成180°的探头-----双探头SPECT机。(2)同时性同时性即湮没辐射产生2个γ光子，同时被两个相对探头探测。同时性要求采用一种特殊的线路—符合线路符合线路符合线路（coincidencecircuit）：只有进入两个探头的两个γ光子是同时到达的闪烁事件才能被记录，否则不予接受，这种线路称符合线路。湮灭作用产生的两个γ光子几乎同时击中探测器环上对称位置的两个探测器，每个探测器接收到γ光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选符合事件。(3)飞行时间技术（TOF）飞行时间：假设湮没辐射产生在两个探测器的正中间，发生的2个湮没辐射光子可同时到达两探测器，产生的脉冲时间差为零，除此之外，其他位置发生的湮没辐射光子，在探测中总有一定时间差，这个时间差称为飞行时间。符合时间窗：是为时间差所设的限，即两个光子被记录的时间差小于符合时间窗时，就被作为一次符合探测。它决定着符合探测效率、稳定性和精确度。符合窗时间一般定为12-15ns，现在5ns。RPMTPMTCOINCIDENCEPROCESSINGDETECTORRINGProjectionDataCollectionProcessingElectronicsProcessingElectronicsCoincidenceProcessorDataSorting,HistogramImageReconComputerImages23传统PET无飞行时间飞行时间“飞行时间”基本概念定位三维空间的一条线定位三维空间的一个点24飞行时间原理t1=1.3nst2=1.7nsR+∆xR-∆x2∆x=(t2-t1)*C∆x=∆t*C/2noTOFTOF定位精度和时间分辨率的关系∆x=∆t*C/2∆x是位置误差，即定位精度∆t是时间误差，即时间分辨率所以定位精度与时间分辨率成正比例关系650ps的时间分辨率对应有9.75cm的定位精度580ps的时间分辨率对应有8.7cm的定位精度20ps的时间分辨率对应有3mm的定位精度降噪机制A是传统PET，一个体素的LOR穿过所有其他同一条线上的体素B是TOFPET，定位精度以外的体素的影响将不再考虑27无飞行时间有飞行时间28无飞行时间Morepreciselocalizationofannihilationeventimprovesimagequality灵敏度和信躁比更少的外部计数飞行时间更高的有效灵敏度+更高信躁比有效的范围内有更高的计数有飞行时间（1）真符合：是构成PET断层影像所需的湮没辐射γ光子。真符合数越多，影像质量越好。真符合γ光子必须具备3个条件：①2个γ光子同时同地发生；②2个γ光子互成180°角度③2个γ光子能量为511keV。2、真符合、随机符合与散射符合（2）随机符合随机符合：是一种假符合，其两个γ光子毫无时间与空间的相互关系，但在符合时间窗内被误认为“同时”发生的2个γ光子而探测下来。随机符合与真符合区别：符合探测的2个γ光子来自不同的湮没辐射事件。随机符合是符合探测成像中的噪声，增加图像本底，降低图像的对比度和分辨率。随机符合的效率高于真符合．散射符合是湮没辐射产生的2个γ光子，如果一个到达探头之前与组织发生散射，但仍在符合时间窗内被探头探测，称散射符合.散射符合的符合线与原始湮没辐射事件的位置完全不一致,导致错误的位置信息,影响成像的空间分辨率.特点：散射光子能量小于511kev,方向不成180°。（3）散射符合减小假符合方法(1)降低单探头的计数率控制注入剂量，不是剂量越高，影像质量越好。假符合数与单个探头计数率平方成正比，而真符合只与探头计数率一次方成正比。在低计数率时，增加计数，真符合增加明显。在高计数率时，增加计数，假符合增加明显。(2)减小符合分辨时间（由15ns降至2ns）；(3)用硬件加以校正，如轴向屏蔽。（二）hPET成像1、hPET成像基础（1）18F-FDG应用；被评为1997年最受欢迎的放射性药物。（2）双头、三头SPECT机开发与研究成功。双头SPECT机+符合线路在正电子符合探测成像，获得了美国FDA的批准。2、hPET符合成像的特殊要求（1）单道分析器能谱扩宽（2）重建511kev校正表均匀性校正表、线性校正表、能量校正表等。（3）探头屏蔽加厚（4）晶体厚度（5）最大计数率每个光电倍增管的输出跟一个模数转换器,降低死时间,提高计数率。3、hPET成像特点（1）使用符合电子准直，大大提高了探测效率及系统分辨率。电子准直：湮灭γ光子对，只有在两个互成180°的探测器的视野立体角内才能被探测，这种利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器输出脉冲的符合来确定闪烁事件位置的方法称电子准直。电子准直是和hPET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，大大提高了探测效率，hPET的灵敏度比SPECT高10倍以上；电子准直的hPET系统分辨率为6～12mm，铅制准直器的SPECT系统分辨率为8～16mm。hPET成像特点（2）hPET比PET机价格便宜，可一机两用。（3）可进行身体任何部位的正电子成像。（4）符合探测成像仅适合18F-FDG的正电子成像。（5）hPET功能及影像质量与PET相比仍有待提高。（三）PET显像PositronEmissionTomography1、PET机构成PET机构成由探头、断层床、计算机及其他辅助部分组成。探头由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射线屏蔽装置组成。探测器闪烁晶体是探测器质量的关键；光电倍增管的性能直接影响探测器的可靠性和稳定性。各种晶体性能比较PET基本单位PET基本单位单个晶体与光电倍增管构成分离的探测器。分离探测元件占用的光电倍增管多、造价高、灵敏度低、机械稳定性差。块状结构探测器在80年代中期西门子公司发明。这种结构是在一块大晶体上刻许多槽，把晶体分成8×8的小矩阵，后面联接4个光电倍增管。这种结构大量节省了光电倍增管，改善了光的收集效率，提高了灵敏度、空间分辨率、机械稳定性，维修探头也很方便。2、PET数据采集方式PET数据采集方式：2D方式与3D方式2D方式是在有电子准直状态下采集3D方式是在撤除准直的状态下采集3D方式信息量较2D方式高90%，信息量大,分辨率高,噪声多.2D和3D采集方式原理消除来自视野内、外的散射以获得高质量图像总计数高，但由于散射和随机计数也明显增加，影响图像质量SNRin3Dand2Dfor251lbPatientPatientGeometryCrystalDepthTimingWindow&ElectronicsFinalImageFDG15mCiinjected,scanned2hour2minpostinjection6.87mCiatAcq.254MillionDisintegrations/sec375Kcounts/sec313Kcounts/secTrues=43.6KRandom=210KScatter=59.4K3DTrues%=14%R+S=86%NECR=10kcps15mCiinjected,scanned1hour38minpostinjection8mCiatAcq.22Kcounts/sec21.4Kcounts/secTrues=11.3KRandom=7.3KScatter=4K2DTrues=53%R+S=47%NECR=7.5kcps3D散射计数和随机计数明显增加，影响图像质量Depth=30mmDepth=30mm296MillionDisintegrations/sec3D采集2D采集5mm病灶检测3D采集2D采集3D采集图象2D采集图象前列腺肿瘤5mm病灶检测5min3Dacquisition20min2Dacquisition3DImaging2D和3D采集方式临床应用3D采集方式2D采集方式常规注射计量5~8mCi8-10mCi采集时间1-3min/bed3-4min/bed散射计数和随机计数明显高于2D低体重90kg病人成像由于散射和随机计数率高，图像较模糊图像质量佳体重80kg病人成像NECR值低于2D高5mm病灶检出率差高2D、3D采集方式灵活应用4DPET-CT呼吸运动…40%的病例由于呼吸运动的影响导致错位诊断Ge-68PETImagescourtesyofJohnsHopkinsMedicalCenterCTAC4DCT4DCT实时观察肿瘤的形态随呼吸运动的变化CourtesyofGTYChen,E.Rietzel,KPDoppke,NCChoi,CGWillett-MGH4DPET/CT4DPET/CT开启门控放射治疗的大门!CourtesyofYusufErdi,GigMageras,SadekNehmeh,KenRosenzweig,EllenYorke-MSKCCAveragebreathingcycle=5.33secCoverage=23cmTumorsizewas1.7cmdiametermeasuredinCTandPET.门控放射治疗无门控时，呼吸运动…..传统的CT不能准确定位•CT放疗靶区定位•无法预测真实的运动情况•肿瘤由于呼吸运动的影响，偏离放射治疗靶区放射治疗野明显增大，损伤正常的组织无门控时…..•唯一的办法，增大放射治疗野门控放射治疗同步治疗：增大靶区剂量，增加放疗疗效，最大限度减少正常组织损伤•4D实时追踪定位•确定某一呼吸时相的靶器官位置•门控触发治疗3、PET显像分类•代谢显像•血流灌注显像•受体显像•基因显像4、正电子断层显像应用①肿瘤的诊断②心血管疾病③脑神经疾病左